Gibt es Carboxysomen in den Cyanellen

Ist der Zentralkörper der Cyanellen von Cyanophora paradoxa ein eukaryontisches Carboxysom? Die Photosynthese stellt die Grundlage des Lebens auf unserem Planeten in seiner heutigen Form dar. Neben den Landpflanzen spielen die Algen und die Cyanobakterien eine wesentliche Rolle bei der globalen Kohlendioxid- Fixierung und tragen damit zum derzeit noch annähernd bestehenden Gleichgewicht zwischen der Produktion und dem Verbrauch des "Treibhaus-Gases" bei. Angesichts der relativ geringen Affinität des Schlüsselenzyms Ribulose-1,5-bisphophatcarboxylase (Rubisco) für sein Substrat ist die Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre (0,035%) tatsächlich als "zu niedrig" anzusehen. Im Verlauf der Evolution haben zunächst die Cyanobakterien, dann die durch Endosymbiose aus ihnen entstandenen Algen und schließlich die höheren Pflanzen Kohlendioxid-Konzentrierungsmechanismen (CCM) entwickelt, um dieses Manko auszugleichen. Während bei C4 und CAM-Pflanzen eine Vorfixierung von CO 2 durch PEP-Carboxylase involviert ist. treten bei phototrophen Mikroorganismen induzierbare Transportsysteme für CO 2 und HCO3 - auf (was zu einer Akkumulierung führt) und die Rubisco-Reaktion erfolgt unter optimierten Bedingungen in einem Mikrokompartiment: in Carboxysomen bei den Cyanobakterien, in Pyrenoiden bei den Algen. Cyanophora paradoxa ist eine Alge mit ungewöhnlichen Plastiden: diese Cyanellen oder Muroplasten sind noch von einer Peptidoglykanwand begrenzt und stellen nach verschiedenen Kriterien unter den Plastiden die engsten Verwandten zu den Cyanobakterien dar. In der Mitte der Cyanellen befindet sich ein elektronendichter Zentralkörper, der von der Cyanellen-DNA und den konzentrisch angeordneten Thylakoidmembranen umgeben ist. Anhand dieses Systems wollen wir ein mögliches Übergangsstadium in der Evolution des CCM untersuchen, d.h. ob primitive Plastiden zunächst den Carboxysomen-Mechanismus der cyanobakteriellen Endosymbionten übernommen haben und erst später, etwa bei den Grünalgen die Modifikation zum Pyrenoid-Mechanismus erfolgt ist. Eine Reihe präliminärer Befunde spricht für die Carboxysomen-Natur der Zentralkörper der Cyanellen. Bei manchen Spezies sind sie polyedrisch und von einer Proteinhülle umgeben, bei C. paradoxa bindet die Cyanellen- DNA an deren Oberfläche. Bei der Cyanellen-Teilung wird der Zentralkörper vom Septum durchtrennt. Pyrenoide haben keine Proteinhülle sind in der Regel von Thylakoidmembranen durchzogen und lösen sich bei der Chloroplastenteilung auf. In jedem Fall ist die akkumulierte Form HCO3 - (wo die Verluste durch Diffuson gegenüber CO 2 zu vernachlässigen sind) das durch das Enzym Carbonic Anhydrase in das Rubisco-Substrat CO 2 verwandelt werden muss. Die intraorganelläre Lokalisierung der CA ermöglicht eine Definition des Mikrokompartiment-Typs: in Carboxysomen ist CA zusammen mit Rubisco verpackt, in Pyrenoiden befindet sich CA im Lumen der penetrierenden Thylakoide. Wir wollen in einer Kooperation mit den Arbeitsgruppen von Prof. Hans Bohnert (Univ. Illinois, Urbana) und Prof. Aaron Kaplan (Hebrew Univ., Jerusalem) alle relevanten Aspekte untersuchen, wobei die Arbeitsteilung nach Expertise und apparativer Ausstattung erfolgt. Das Vorliegen eines CCM soll experimentell nachgewiesen werden, Zentralkörper sollen isoliert und auf zusätzliche Komponenten (neben der bereits festgestellten Rubisco) untersucht werden, wie CA und Hüllproteine. Der Einsatz von Immunelektroenemikoskopie ist ebenfalls geplant. Mittels PCR soll der Versuch unternommen werden, direkt Gene für CA, Transporterkomponenten, Hüllproteine etc. zu charakterisieren. Parallel dazu sollen cDNA-Microarrays eingestzt werden, wobei der Umstand ausgenutzt wird, daß die Expression sämtlicher im CCM involvierten Gene bei Züchtung unter niederen CO 2 Konzentrationen ansteigt. Interessant sind alle Gene, deren Transkripte bei O,035% CO 2 höher liegen als bei 2% CO 2 . Dafür ist DNA-Sequenzierung in größerem Umfang erforderlich. Wir erwarten, daß sich unter den so erhaltenen EST`s etliche für uns interessante Gene befinden. Wir wollen beweisen, daß Cyanophora als "lebendes Fossil" nicht nur die Organellenwand und typisch cyanobakterielle Organisationsformen des Cyanellengenoms beibehalten, sondern auch den cyanobakteriellen Typ des CCM in eine eukaryontische Zelle übernommen hat.